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北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 摘要 随着信息技术的不断发展，制造企业信息化建设越来越重要。机械零 件制造企业作为机械行业供应链中的重要一环同样迫切需要信息化改造。 从m r p 到m r pi i 再到e r p ，企业信息管理系统覆盖的范围在不断地深入和扩 大。e r p 主要集中在企业的计划管理层，而在生产管理层与生产控制层之间 缺乏必要的软件覆盖。随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用 水平逐渐提高，企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。制造执行系 统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 是“位于上层的计划管理系 统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，是能够进行精 确计划、调度、发送、跟踪、监控车间生产信息和过程的车间级的管理信 息系统，它是实现车间生产敏捷化的基本技术手段。它为操作人员、管理 人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、物料、客户需求等) 的实时状态信息。 敏捷制造作为未来制造系统的发展方向，因此对企业生产过程中实时 的执行与控制能力提高了要求，由此m e s 应运而生。本文在对m e s 的研究动 态进行分析的基础上，介绍了其内涵与模型，并重点分析了m e s 与计划层和 控制层的关系，这些都为m e s 的研究奠定了理论基础。 本文针对m e s 系统的软件架构，分析并介绍了软件复用技术，构件技术， 以及相关技术在m e s 系统分析与设计过程中的应用，提出了基于构件的三层 客户朋艮务器软件框架结构模型。基于u m l 建模语言，采用r a t i o n a lr o s e 面 向对象建模工具对m e s 系统进行了分析和设计，构建出了基于用例图的系统 需求模型，以及基于组件图的系统构件提取。 在论文前述内容的基础上，开发了基于广义d n c 的m e s 原型系统，并对 基础数据管理、生产作业计划、任务调度控制三个模块进行了重点介绍。 最后对全文的研究工作进行了总结与展望。 北京夺通天擎薪午密寺 采牢卜0 忾差霉纛黜删掣；i 盟糸；劫薹驻雾胛哥副酗 l 摹；毫鲤l 一塞暮霸荽孓 l | 璧薹莩= i t 争；雾疆i 、篓翟# s ；一i ；3 琶i i ! j i 主i ；! l i i j r “l p * l 北京交通太学硕十论文 摹于广_ 武g 要磊眺唑射刿旦野l 嗡蓦i l 露挑譬霸毹 鋈萋蓄i 羹荔f 日 弱i 基l 骨 叫铺壤禹u 谨蛎珏i j 嶂睁蠹对；嚣委孽篓 毒哇；t b 嚣疆沾 ；莩摹 螽孙凸璺睦卜；q 啦錾1 商氰芤订j i 室i ；肄薹i i 基墨薹要e u 出l ik i 蠡塾曼誊垂i 戡t e a i 霉i i i 甘鐾耋i i 器型型蓄i j 辱霹擎 i i 羹”! 醢 i ，篓 鼋 k 毳曼黔喜誊i 青璧l i 手奔芋 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m b s ) 的研究与实现 第一章绪论 m e s 是位于计划层和车间层操作控制系统s f c 之间的执行层管理信息 系统，主要负责生产管理和调度执行。它作为生产与计划之间的信息“集 线器”，将两者的信息有效连接起来，使生产信息和计划信息能进行实时 交互，从而解决了生产与计划之间的“断层”问题，是实现企业信息全集 成的关键。m e s 的有效应用可为企业实施敏捷制造提供坚实的基础。本章 首先介绍制造系统的发展趋势，由此引出m e s 和d n c 系统的产生背景。 接着综述了国内外研究机构对m e s 和d n c 的研究状况。最后概括地介绍 了论文的选题背景、研究意义、研究思路和主要的研究内容。 1 1 制造系统发展与敏捷制造概述 1 1 1 制造系统的发展及敏捷制造的产生 回顾制造系统的发展历程，大体上经历了三个主要的发展阶段：第一 阶段是用机器代替手工，从作坊形成工厂；第二阶段是从单件小批地生产 方式到大批大量的生产方式；第三阶段是制造系统的敏捷化、柔性化、系 统化和智能化发展。 随着时代列车的快速前进，人类社会也进入了以信息技术为主导的二 十一世纪。这是一个新的时代，一个一切以信息技术为准则的时代。信息 时代的来l 临给我们带来了新的生活和游戏规则，只有不断的适应信息社会 的要求，我们才能有自己的生存之地。我国加入w t o 后，制造企业面临着 日益激烈的国际化市场竞争。为了在竞争中占据一定的市场份额，企业必 须能适应产品更短的生命周期、品种多样化和更小批量的生产要求，以最 少的库存和在制品数量、最短的上市时问提供价廉质优的产品，不断满足 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 日益挑剔的市场和用户。如果企业墨守陈规，仍然沿袭以前的生产制造模 式，必然会被市场淘汰。因此，为了在这样的市场环境下赢得竞争的优势， 企业必须果断决策，不断地适应市场的变化，建立相应的制造系统。国内 外对此进行了大量的研究，提出了许多先进的制造概念和制造系统，如计 算机集成制造( c o m p u t e ri n t e a t e dm a j l u f a c t u r i n g ，c 讧) ，准时制造( j u s t 1 1 1t i m e 儿t ) ，精益生产( l e a l lp m d u c t i o n ，l p ) 等吐 1 1 2 制造企业发展的主要模式敏捷制造 企业的敏捷性是指可重构( r e c o n f i g u r a b l e ) 、可重用( r e u s a b l e ) 和可 扩充( s c a l a b l e ) 的特性，即r r s 特性。对企业敏捷性的综合度量，可以用 成本( c o s t ) 、时间( t i m e ) 、健壮性( r o b u s n l e s s ) 和自适应范围( s c o p e o fc h a n 鼯) 这四个度量指标。这四个方面相互约束，相互关联，它衡量了 企业从一个平衡点转移到另一个平衡点的消耗和结果，是一套动态指标。 敏捷性必须在这四个方面取得均衡。敏捷制造企业具有以下主要特点： 1 在全球化的市场竞争中能以最短的交货期、最经济的方式，按用户 需求生产出用户满意的具有竞争力的产品； 2 具有灵活的动态组织机构，它能以最快的速度把企业内部和企业外 部不同企业的优势力量集中在一起，形成具有快速响应能力的动态联盟； 3 具有高度柔性、可重构的生产设备及相应软件； 4 具有持续刨新的能力； 5 具有创新能力和经验的员工； 6 企业和用户之间存在一种“战略”依存关系。 动态联盟是敏捷企业合作的主要方式。这是一种既有合作又有竞争的 动态组织形式，为了响应已经或即将出现的市场机遇，若干个优势互补的 企业临时快速地组成一个联盟，进行企业间技术、人员、管理、资金、服 务等因素的重组和集成，以低成本、小风险、短的设计和制造周期制造高 质量产品以投放市场，并按一定的方式共享利益、分担风险。当市场需求 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 消失时，联盟又迅速解体。其特点是整个企业功能上的不完整性、地域上 的分散性和组织结构上的非永久性，即功能、地域、组织的虚拟化。企业 间的合作往往成为动态联盟企业成功的关键。 敏捷制造代表了c v i s 发展的最新阶段。它主要通过敏捷化企业组织、 并行工程环境、全球计算机网络或国家信息基础设施，在全球范围内实现 企业间的动态联盟和虚拟制造，是全球化生产体系或企业群能迅速开发出 新产品，响应市场，赢得竞争。敏捷制造的关键技术包括：敏捷虚拟企业 的组织和管理技术、敏捷化产品设计和企业活动的并行运作、基于模型与 方针的虚拟制造、可重组重用的制造技术、敏捷制造计划与控制、智能闭 环加工过程控制、企业间的集成技术、全球化企业网、敏捷后勤与供应链 等等。此外，动态联盟企业所涉及的经济和法律方面的问题也是不容忽视 的。 1 1 3 计算机辅助生产管理系统发展概述 随着企业生产经营管理活动中所要储存和处理的信息与日剧增，加上 计算机技术与信息技术的快速发展，企业开始使用计算机管理软件系统进 行生产经营管理，经历了由单项生产管理的局部自动化，发展到少数子系 统的集成，乃至当前的整个企业资源的全面规划和管理。计算机辅助生产 管理也是一个不断进化的过程，下面就其发展历程做一个简单的介绍。 目前大多数企业运行m r _ p i i e r p 来进行生产管理，但m r p 并不是计 算机辅助生产管理系统的历史起点。最初的计算机生产管理系统是财会系 统。计算机的商业化应用对企业管理产生了深远的影响。上世纪六十年代 术到七十年代初，在美国出现了第一个计算机辅助编制的物料需求计划 m r p 系统。它根据生产计划、产品结构和库存记录对每种物料进行计算， 指出何时将会发生物料短缺，并以最小库存量来满足需求，同时避免物料 短缺。七十年代到八十年代初，计算机技术得到了迅速的发展，计算机的 功能变得越来越强大，能处理更多的数据和与更多的用户进行交互。m r p 逐步演化为制造资源计划m r pi i 。m r pi i 进一步从市场预测、生产计划、 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 物料需求、库存控制、车间控制延伸到产品销售的整个生产经营活动以及 与之相关的所有财物活动中。 尽管m r p i i 得到了迅速的普及和广泛的应用，但在某些方面也暴露出 了一些不足，如m r p i i 对预测需求和销售管理不够重视，对车间的大量实 时事件与数据不能很好地利用等，于是产生了企业资源计划e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep 1 a i l l l i n 叠) 。同样，为了强化车间现场的控制与执行能力的制造执 行系统m e s 也就应运而生。 1 2m e s 国内外的研究动态 随着市场竞争的日益加剧，企业上层生产计划管理受市场影响越来越 大，对时间的要求也愈来愈强，明显感到计划跟不上变化。面对客户对交 货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，产品订单的不断调整，企业决策 者认识到，计划的制定要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全 以物料和库存回报来控制生产。同时m r p i i e i 冲软件主要是针对资源计 划，这些系统通常能处理昨天以前发生的事情，也可预测并处理明天将要 发生的事情，但对今天正在发生的事情却往往留下不规范的缺口。而传统 生产现场管理只是黑箱作业，这已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因 此如何将黑箱作业透明化，找出任何影响产品品质和成本的问题，提高计 划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的运行效率已成为每个企业所 关心的问题。因此，将计划与制造过程统一联结起来的m e s 越来越受到重 视，它可以说是一种由下而上的实时掌握现场状况的信息管理系统。m e s 作为生产形态变革的产物，其起源大多源自工厂的内部需求。传统的m e s ( t r a d i t i o n a lm e s ，t m e s ) 就是从7 0 年代的零星车间级应用发展起来的。 t m e s 大致可分为两大类。 1 专用的m e s 系统( p o i n tm e s ) 。它主要是针对某个特定的领域问 题而开发的系统，如车间维护、生产监控、有限能力调度等； 2 集成的m e s 系统( i n t e g r a t e dm e s ) 。该类系统起初是针对一个特 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 自动仓储系统( a s 瓜s ) 、机械臂，以及仿真设备等，使其成为一个适用于半 导体制造的计算机集成制造自动化实验工厂 8 。 土耳其中东技术大学制造工程系的集成制造研究组的学者采用 w i n d o w sd n a 技术实现了一个分布式的m e s 原型系统。由于它全部是基 于m i c r o s o f t 的技术平台，因此，系统的可移植性欠佳，并且原型系统所包 括的功能也很有限，主要是从实现技术上进行了较深入的研究”】。 虽然m e s 的发展历史比m i 冲儿，c a d c a m 等要短，但它能有效地实 现以时间为关键的制造思想，因而在发达国家推广的非常迅速，并给工厂 带来了巨大的经济效益，对国外的管理界也产生了深远的影响。我国的研 究学者对车间层、单元层的研究大都着重于控制模型的研究，很少站在m e s 这一角度从应用出发来研究和开发面向制造过程的集成化管理和控制软 件。国内还没有自主开发的很成熟的且得到广泛应用的m e s 软件。因此， 加强对m e s 的研究和推广应用，探索我国的m e s 的发展道路。对于提高 我国企业的管理水平，增强制造业的竞争实力具有非常重要的意义。 1 3d n c 国内外的研究动态 作为m e s 底层数据的支撑平台，d n c 的发展与研究动态也应该是我 们所应关注的问题。 d n c 从其产生起，它本身就是在不断发展的，其外延不断扩大，经历 了由单机通讯到多机群控再到分布式控制这么一个历程，从其定义的变迁 即可清楚地看出这一点。 19 8 0 年颁布的j s 0 2 8 0 6 对d n c 定义为“d i r e c tn u m 蒯c a lc 0 n t r o l ( 直 接数控) ”，其含义为：此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程 序存储器发生联系，一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床。 1 9 9 4 年颁布的i s 0 2 8 0 6 对d n c 定义为“d i s 缸b u t e dn 哪甜c a lc o n t r 0 1 ( 分布式数控) ”，其含义为：在生产管理计算机和多个数控系统之间分 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 配数据的分级系统。 随着计算机技术和网络通讯技术的不断发展，数控系统供应商也在不 断更新自己的产品，在系统的网络通信和开放性等方面均取得了可喜的进 步。比如： f a n u c 公司 9 0 年代初推出c e l l6 0 单元控制系统，硬件为专用设备，采用f 1 e x 或 u h i x 软件平台。因难以推广，于1 9 9 6 年转为分级式系统，硬件改用通用微 计算机，采用w i n d o w sn t 3 5 1 平台，c n c 必须用f a m 7 co c 、1 5 、1 6 和 1 8 ，加配d n c l 接口，形成d n c l 现场总线。机床状态通信配美国g e f a 圮的p l c 3 0 7 0 ，c n c 和p l c 都需加配i ol i l l k 接口，形成第二现场 总线通信。目前f a n u c 的高端系统，如1 5 ，1 6 ，1 8 i ，o i ( m o d e lb ) 等均已配备局 域网络接口，它提供了相应的开发软件包供第三方系统集成商开发。 s i e m e n s 公司 新一代c n c 为了形成集成条件，需要用户选用加配微机模块的c n c ， 可提供联网软件形成集成条件。其高端产品大多采用了标准工控机，利用 w i n d o w 用户界面，操作和通讯均比较方便。 以上国外技术产品应用的先决条件是c n c 必须具有分布式d n c 功能， 某些厂商的技术则需单一厂商现代化的c n c 系统。其次，这些单元或系统 产品在应用时必须由系统集成商作二次开发和实施工程项目，集成成本相 对很高。因此，国际上对现代生产车间进行集成管理，其设备基础必须满 足系统要求，如设备控制器必须具有联网功能，而且必须符合同一个通信 规范：或者采用单一厂商同一代的产品，应用该厂商的现场局域网和专用 的计算机软件。国外的某些集成方案，或者过于理想，或者为了推广计算 机厂家的软硬件，用户需重新配置设备，更换系统；对于我国机械工业行 业现状来说并不适应，不能满足我国多数企业现有条件的需求1 9 。 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 1 4 论文的选题背景与意义 随着市场竞争层次深入，企业能否快速开发出市场需求的产品往往成 为企业取得竞争优势的关键。这使得传统的生产现场管理方式难以适应新 的形势，必须进行有效的变革。目前企业面临的现状及问题大致有以下几 点： 1 多品种、少批量 随着客户对产品的个性化需求越来越多，多品种、少批量生产方式逐 渐成为许多企业的主要生产方式。这就造成需要处理的数据量明显增加， 计划周期和决策时间大大缩短。这样就在每个加工工位前，往往有许多加 工任务等待处理。如何实时掌握生产现场信息来有效地辅助车间的管理和 控制是工厂能否柔性而又高效地处理不同生产需求的重要因素。 2 产品生命周期缩短 知识经济时代的技术创新使产品更新换代的周期不断缩短，这就迫使 产品设计部门与生产部门之间的关系越来越紧密。制造单元不断面临新的 零件，新设备，新的工艺规程以及经常性的工程变化，生产现场迫切需要 一套实时的管理系统来有效地指导生产，同时能正确迅速地将生产状况反 应给设计部门，及时找出新产品的生产问题。 3 调研结果令人担忧 课题确定之后，作者深入河南某制造企业进行了实地调查研究，结果 令人担忧。该厂生产设备比较先进，可以达到国内领先水平，但生产效率 却一直不能提高和改善。究其原因，大致因为生产现场管理混乱，无章可 循，更是没有计算机辅助生产管理软件的配合使用，完全是由几个计划员 和调度员用笔纸记、用心算来制定生产作业计划，进行生产调度控制。这 样生产现场就如同黑箱作业，根本无法满足复杂多变的市场竞争。因此如 何将黑箱作业透明化，改善生产效率已成为制造企业普遍关注的问题。 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 数据采集系统的介绍，以及d n c 在m e s 中的作用，最后介绍了m e s 系 统的发展趋势。 第三章讨论了基于软件构件的m e s 所涉及的一些关键技术。 第四章在介绍了传统建模方法和面向对象建模方法。并基于u 】l 对 m e s 系统的各功能模块进行了分析和设计。 第五章介绍了系统功能结构，系统软硬件平台的选取，以及对一些重 要的模块进行了详细的分析和介绍，最后介绍了其它一些子系统的功能实 现和实现的一些关键技术储备。 第六章对本课题的相关研究进行总结，并对今后的发展方向进行展望。 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 工艺文件和各种配方及操作参数；从控制模块反馈的实时生产状态数据被 m e s 用于实际生产性能评估和操作条件的判断。从图2 2 中可看出m e s 与 其它分系统之间有功能重叠的关系，例如m e s ，c r m ，e r p 中都有人力资 源管理，m e s 和p d m 两者都具有文档控制功能，m e s 和s c m 中也同样 有调度管理等等，但各自的侧重点是不同的。各系统重处范围的大小与工 厂的实际执行情况有关，而且每个系统的价值又是唯一的”2 1 “。 2 2 2m e s 功能模型 图2 2m e s 定位模型 m e s 作为一种计算机辅助生产管理系统，包含了许多功能模块。m e s a 通过实践归纳了十一个主要的m e s 功能模块，包括：工序详细调度、资源 分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、 质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。 本文所研究的系统中包含了d n c 模块，作为m e s 的数据平台解决方案【1 ”。 m e s 功能模型如图2 3 所示。下面简要介绍一下各功能模块的内容。 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 条形码) 和全自动采集( 通过全闭环系统的离散信号采集) 。随着计算机技术、 通讯技术和c 订s 技术的发展，d n c 的内涵和功能不断扩大至广义d n c ， 与以前的d n c 相比已经有很大的区别，它着眼于车间的信息集成，针对车 间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控和分散控制， 把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。d n c 集成的模式可根据车间规模大小不同，构成不同的结构层次，具有： 1 工作站层和设备层两层控制结构； 2 车间层、工作站层和设备层三层控制结构； 3 车间层、单元层、工作站层和设备层四层控制结构； 4 跨车间控制结构。 d n c 结构层次不同，它们的构成亦往往不同，但其基本组成是一样的。 1 d n c 主计算机( 或d n c 控制计算机) ，包括大容量的外存储器和i o 接口； 2 数据通信线； 3 d n c 接口； 4 n c 或c n c 装置； 5 软件系统。包括实时多任务操作系统、d n c 通信软件、d n c 管理 和监控软件、n c 程序编辑软件等。有时需要数据库管理系统、图形输入与 编辑软件、刀具轨迹模拟和d n c 接口管理软件等。 n c 或c n c 装置作为d n c 、f m s 和c s 的一个基础层次，除了要与 数据输入输出等外部设备相联接外，还要与上级计算机或d n c 控制计算机 直接通信或通过工厂局域网络相连，具有网络通信功能。n c 或c n c 装置 与d n c 主计算机间交换的数据比单机运行时多得多。例如，机床启停信号、 操作指令、机床状态信息、零件程序的发送以及c n c 数据的传送等。为此， 传送的速率也要高些。目前多数n c 或c n c 装置配置的r s 2 3 2 等接口的传 送速率不超过9 6 0 0 ，而且只能进行n c 程序的双向传送，不能进行机床的 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 5 设备状态信息等。 上述统计数据也按班、日、周、月和年收集起来作为累积资料，供以后 分析参考使用。这些数据也可按照系统管理人员的需要，按一定的间隔时 间自动地打印出来。在监视机显示器上，系统管理人员可随时观看这些统 计数据，也可随时打印出来。 2 5d n c 系统在制造执行系统中的地位 众所周知，m e s 在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用。它为操 作人员，管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、物料、客 户需求等) 的当前状态。m e s 能通过信息的传递对从生产命令下发到产品完 成的整个生产过程进行优化管理。当工厂中有实时事件发生时，m e s 能及 时对这些事件做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行约束和处 理。这种对状态变化的迅速响应使m e s 能够减少企业内部那些没有附加值 的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，同时提高了工厂及时交货的能 力，改善了物料的流通性能，提高了生产回报率。m e s 还能通过双向直接 通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的关键任务信息。 在m e s 上层，主要有供应链管理、销售和服务管理、企业资源规划和产品 设计过程工程。在m e s 下层，则是低层生产控制系统，包括d c s ，p l c ，n c 和s c a d a ，或这几种类型的组合制造执行系统作为企业上层事务处理和低 层设备控制系统之间的中间桥梁，在生产计划的优化调度、生产过程的改 进等方面起着越来越重要的作用。制造执行系统中最基础的工作现场 信息的采集又是这个桥梁中的关键。它可及时准确地了解企业的设备运行、 产品加工等生产过程情况，减少中间环节，降低人为因素的影响，对于科 学地编制生产计划提供准确可靠的技术数据，加强生产过程的透明度。还 可大大降低各种干扰对系统的影响，使车间在适应产品种类变化、缩短生 产周期、提高产品质量、实现准时生产、合理利用资源、减少在制品和库 存、敏捷地满足市场需求等方面获得改善，从而提高车间的综合生产能力。 d n c 是指一台或多台计算机对多台数控机床实施综合数字控制。d n c 系统 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 属于自动化制造系统的一种模式，它强调信息的集成与信息流的自动化， 物料流的控制与执行可大量介入人机交互。d n c 系统功能一般包括：n c 程序及数据的传递；机床状态采集与上报；根据生产计划，自动分配n c 程序及数据到相应机床；刀具数据的分配与传递；刀具、夹具准备计划、 实现系统内刀具、夹具等的实时控制；按照工艺计划及生产计划，实现由多 种数控机床组成的d n c 系统的物流实时控制，实现工件的输送、贮存，同 步加工和装配等活动的集成化生产管理。d n c 系统的数据采集作为d n c 系统的重要功能，它的主要目的是对机械制造过程中，产生的各种信息进 行获取、传输、处理、分析和应用。d n c 数据采集作为m e s 的平台解决 方案，是m e s 获得底层设备状态信息的主要来源，在m e s 中占有重要地 位，是m e s 的核心内容之一。制造执行系统需要d n c 系统收集整理数据 信息，反馈回经营计划系统，作为其下一步编制生产计划的依据。制造自 动化的内涵主要指制造过程中对各种信息的监测、测试与监控自动化，对 物流和设备管理自动化，设备诊断与维修技术自动化。在制造自动化中， 无论是信息检测、测试与监控，物流和设备管理，还是设备诊断与维修技 术，均是以数据采集技术做支撑的，可以说先进合理的数据采集技术的使 用是实现m e s 乃至制造自动化的重要基础与关键所在。国内不少企业具有 m r p i i 厄r p 系统，但其基础数据还需人工录入，一些企业的管理系统有不 少假数据在跑。现场信息的自动采集己成为制造业信息化的瓶颈，必须对 数据采集方法进行研究。 2 6 本章小结 本章对制造执行系统进行了比较全面的概述与分析，包括制造执行系 统的定义、模型以及其与计划层和控制层间的信息交互关系、对c 【m s 环 境下的m e s 和敏捷制造下m e s 的特点及关键技术分别进行了比较深入的 分析和研究。通过归纳和总结面向敏捷制造的m e s 的特点与关键技术，为 进一步研究m e s 提供了宏观的指导方向。 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 第三章基于构件技术的m e s 框架研究 3 1 软件复用技术 软件复用( s o 脚a r er e u s e ，又称软件重用或软件再用1 的概念对于大家 并不陌生。上世纪6 0 年代的软件危机导致了有关软件复用的研究。在1 9 6 8 年的n a t o 软件工程会议上，d m c l l r o y 在他的论文中首次提出可复用软件 库的思想，和以不同精确度定制构件的自动化技术。软件复用的定义也很 多，比较权威和通用的一种是：软件复用是利用事先建立好的软构件创建 新软件系统的过程。这个定义蕴含着软件复用所必须包含的两个方面： 1 系统地开发可复用的软构件。这些软构件可以是代码，但不应该仪 仅局限在代码。我们必须从更广泛和更高层次来理解，这样才会带来更大 的复用收益。因此从广义上讲，可复用的软件成分都可被称为可复用构件。 比如：分析，设计，测试数据，原型，计划，文档，模板，框架等等。 2 系统地使用这些软构件作为构筑模块，来建立新的系统。软件复用 的形式很多，复用的级别有大有小。主要有以下几种： 源代码模块或者类一级的复用。这是最基本的软件复用形式，其复用 级别最低。 二进制形式的复用。可看作是比较高的程序级别复用，如目前广泛应 用的c o m 、c o r b a 组件。这类复用通常只能了解构件的接口和属性等信 息。 设计级别复用。其抽象级别比源程序的更高，有三种复用的途径：从 现有系统的设计结果中提取一些可复用的设计构件用于新系统的设计：将 一个现有的系统的全部设计文档在新的软硬件平台上重新实现；独立于具 体应用，专门丌发一些可复用的设计构件，其中运用良好的设计模式( d e s i 舯 北京交通人学硕上论文基于广义d n c 的制造执行系统( m b s ) 的研究与实现 p a t t e m ) 是一个关键因素。 分析级别复用。这是比设计结果更高级别的复用。它是针对问题域的 某些事情或某些问题的抽象程度更高的解法，很大部分独立于设计技术及 实现条件，因而可复用的机会更大。与设计级别复用相似，也有类似的三 种复用途径。 测试信息复用。主要包括测试用例的复用和测试过程信息的复用。 如何将软件复用思想更科学，更有效地运用到实施c v i s 的各个阶段 是一个很有意义的课题。不同的制造行业以及不同的生产类型使得m e s 的 开发和实施成本居高不下，而且敏捷性差，软件复用思想的引入为m e s 的 开发注入了新的思路。 3 2 1 构件分类 3 2 构件技术概要 构件( c o m p o n e n t ) 是指应用系统中可以明确辨识的构成成分。而可复用 构件是指具有相对独立的功能和可复用价值的构件。可复用构件应具备以 下属性：有用性，必须提供有用的功能；可用性，必须易于理解和使用； 质量，自身及其变种必须能正确工作；适应性，应该易于在不同语境中装 配；移植性，应能在不同的运行平台上工作。根据复用阶段和复用方式的 不同，与之对应的构件表现形式也不同，例如分析文档、详细设计、代码 实现、测试用例等等。由于代码级构件可以直接由工具支持，因此是目前 所关注的主要构件，也是本文讨论的主要对象。为了更好地了解构件的性 质，我们把它按多个侧面进行分类1 1 8 】： 1 按开发过程构件分为分析件、设计件、程序件和数据件。 2 按功能分，分为三层：基础层为基本数据类构件和系统支撑构件， 中间层为各种通用的中间件，顶层为针对领域的专用构件或子系统构件， 从粒度上看，通常底层的粒度为较小，而顶层的粒度为较大。 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 3 按使用方式分为动态和静态两种。 4 按构件的结构分为原子构件及由多个构件聚集的组合构件。 5 广义构件和狭义构件。我们常说的c o m 构件属于狭义构件，而分 析件( a n a l y s i sw a r e ) 、设计件( d e s i g i lw a r e ) 等属于广义构件。 3 2 2 构件模型与特征 构件模型用来研究构件的本质特征及构件间关系，是对实际构件的抽 象。出于不同的人员对对构件的关心角度不同，因此很难建立统一的模型 来满足不同方面的需求。当前的主要构件模型分类【2 0 】： 1 构件的描述分类模型：以综合的方式来描述构件，方便用户对构件 的理解，以及构件在构件库中的分类和检索。 2 构件的规约组装模型：给出构件的功能规约，并通过配置构件规约 而给出系统( 子系统) 规约。主要实例：各种接口描述语言i d l 、构件描述语 言c d l 和体系结构描述语言a d l 。 3 构件的实现模型：用于指导使用某种程序设计语言实现构件或将构 件实现为某种可执行的单元。主要实例：c o r b a ，c o m d c o m 等。 这三种构件规范都是针对二进制代码构件制定的，为基于构件的软件 开发提供了一个对象管理的基础设施。为支持基于构件的软件开发过程， 软件构件应该具备以下几个特征： 自描述：构件必须能够识别其属性、存取方法和事件，这些信息可以 使开发环境将第三方软件无缝地结合起来。 可定制：构件不仅可以重复使用，还可以有用户白行配置。使开发人 员能设置构件的属性，对一个一般化的构件加以裁剪来使其满足某些特定 环境的具体需求。 可集成：构件必须可以被编程语言直接控制。也能和脚本语言连接或 者与从代码级访问构件的环境连接，该特性使得软件构件可以在非可视化 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 开发项目中使用。 连接机制：构件必须能产生事件或者具有让程序员从语义上实现相互 连接的其他机制。这意味着程序员可以很容易地向按钮添加代码，使点中 按钮就可以影响其他构件的动作。 3 3 基于构件的m e s 体系结构与框架设计 3 3 1 体系结构 由于构件具有复用度强的优点，因此构件是提高m e s 敏捷度的一种行 之有效的方法。下面介绍一下本文构建m e s 体系结构的主要思路： 对公用功能构建的结构、行为和接口进行标准化。目的是实现系统的 “即插即用”和复用。 针对特定的具体应用定制标准组件来实现公用构件所没有的功能。目 的是满足用户的各种不同的需求。 本文将m e s 框架结构建立在组件的基础之上，并将系统分为三个层次： 基础设施层、基于构件的m e s 框架层和应用对象层。 基础设旌层：为应用提供分布式计算环境( 如c 0 砌璩，d c o m ) 。包 括的服务有：操作系统、网络通讯、数据存储、用户接口、事件分发和例 外管理等。 基于构件的m e s 框架层：包含了特定m e s 领域的一些公共构件，这 些构件是从m e s 领域中的相同功能实体抽取出来的，通过基础设施进行通 讯联系。这使得上层的应用开发迅速并具备互操作等优点。框架通常以抽 象类表示其接口并且描述构件间的关系，框架还提供了一些设计模式供构 件开发者设计应用构件。 m e s 应用对象层：该层的应用对象通过提供构件所没有的特定功能或 扩展公用构件的功能来实现具体的应用系统。应用对象可以通过构件接口 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 定义语言( d l ) 来调用构件的服务功能，也可通过继承或添加新的服务来 扩展构件的功能。 由于框架提供了构件整合的环境及规范构件间的交互，使得整个框架 本身就是一个可重复使用的构件。利用框架开发程序是应用整个设计骨架， 而不是仅用某些构件，而且设计骨架的行为可以被适应化，借助新组件的 衍生，可以使得框架的功能更具弹性。 3 3 2 构件提取 通过对m e s 体系结构的分析，可以归纳m e s 框架设计包括以下几个 步骤： 1 建立抽象对象模型； 2 将应用领域划分为构件，即构件的提取： 3 提取构件中的共同部分； 4 定义框架消息； 5 创建通用构件的设计模式。 下面就构件提取技术作一介绍。在一个特定领域内构造框架时，重点 是把握框架的共同点。框架一旦被建立，其适应性和可扩展性就被提到了 首要地位。因此，如何将应用领域划分成构件是保证框架具有柔性的关键 因素。目前，划分构件的原则主要是通过功能分组和功能分解。不同功能 的模块可以划分成不同的构件。但构件的大小要视实际状况而定，构件过 大，虽然功能丰富，当使用上不方便，而且缺乏弹性，构件过小则功能较 少，虽然较具弹性易学易用，但是接口定义不容易，较难集成。因此，原 则上将尽可能使各构件的功能独立，且具有的功能适中。通过课题的前期 调研与对客户需求的深度挖掘，本文将适应于单件小批的离散制造的m e s 划分为以下一些通用构件，如图3 1 所示( u m l 图表示) ： 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 库服务器上，通过它们可以获得所需的数据服务。用户不能够直接与数据 库打交道。 与业务规则所支持的任务相比，业务规则本身更容易发生改变。所以 在实现时最好将业务规则封装在单独的组件中，与应用程序的逻辑分隔开。 例如，某个应用程序需要“得到生产订单”，这项服务可以被封装在中央 网络服务器上的一个组件中，应用程序可以访问它。如果计算过程发生了 改变，仅需要在一个地方进行修改就可以了，应用程序本身是不需要修改 的。一旦业务服务改变了，所有的“得到生产订单”请求都将使用已修改 的业务服务得到新的计算结果。 3 4 5 数据服务 数据服务包括数据的定义、维护、访问和更新，以及管理并响应业务服 务的数据请求。它们的物理实现可以在某种数据库管理系统( d b m s ) 上， 也可以是一个异种数据库的集合：这些数据库可能驻留在多种平台上，运行 在服务器和大型计算机上。 将数据服务与应用程序的其它组件分离丌，在维护、修改甚至重构数据 结构及访问机制时，可以丝毫不影响业务服务和用户服务。 3 4 6 基于三层结构的系统实现 在信息系统中，用户可以对大量的数据进行存取访问，可以进行大量 的综合查询。在实际工作环境当中，每个最终用户都有自己特定的工作环 境，因此，信息系统应该在提供方便快捷数据访问的同时，也应该提供给 用户一个个人化，可定制的工作空间( p e r s o n a lw o r k s p a c e ) 。在用户个人 工作空间当中，用户可以灵活的组织自己的数据，进行各种各样的数据操 作。 在设计系统就是从这一考虑为出发点的。为了能够很好的利用三层结 构，本系统将这一考虑集中在用户界面层中实现。为了让不同的用户可以 灵活的定义自己的工作空间，提供给用户的最终界面将是一个以容器窗体， 北京交通大学硕士论文 基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 图3 4 应用系统物理配置示意图 针对m e s 开发、实施中要面对不同生产类豁；靶霏移装繇嚣登：艇婴 雾耍掣h 器幽笺磐型娶；醪州冀；抛“i 轻一瓣舰l 签等笔 怕童哥嚏丑 榜 浣州胜猢淹瀑随磊街谓椎i ， ；萼；g 磊焉矗：玛藏謦孽蔓掣堇科e 呈缈鞘n 蠡j 拍疆婿聊j 渔萃卜廷简臻翼糕謦嚣辫鞘骄：甏嚣e c m c a t i o n ) 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 过程建模方法一p e t r i 网 p e 埘网( p m 最初由美国的c a r l c p e t f i 博士于2 0 世纪6 0 年代提出，用 于离散异步并发系统的建模工具。一个基本p e t r i 网的静态结构包括库所 ( p l a c e ) 、变迁( t r a n s i t i o n s ) 、有向弧( d i r e c t e da r c s ) 以及表示资源流动的托肯 ( t o k e n ) 。通常在图形上库所用圆圈表示，变迁用粗直线表示，有向弧用带 箭头的直线或者弧线表示，托肯用小黑点表示。库中所包含的托肯的多少 描述了对应“容器”包含资源的多少。基本p e m 网的变迁规则规定了基本 p e t r i 网的动态行为。状态的变化代表了系统的演进过程。当输入位置中都 有标记时，变迁才可触发，触发后从输入库所各取出一个托肯，并在各输 出库所中增加一个托肯。 以上介绍的建模方法都属于结构化分析方法，该方法基于模块化的思 想，将现实世界映射为数据流和加工，采用“自顶向下，逐步求精”的技 术对系统进行划分，分解和抽象是其两种基本手段。结构化方法由于简单 易懂、容易使用，且出现较早，所以得到了广泛的应用。但随着各类应用 需求的提高，满足这些需求的软件系统已变得越来越复杂。结构化方法的 不足之处明显地表现出来，用这种方法开发出的软件，其稳定性、可修改 性、可扩展性和可重用性都比较差。为了解决结构化方法存在的问题和适 应大系统不断发展和变化的要求，人们在实践中逐渐创造出了面向对象方 法。在经历了3 0 年的发展之后，面向对象方法已经成为软件系统分析、设 计与实现的最有影响的方法。 4 2 面向对象建模u m l 方法简介 4 2 1 面向对象机制与可视化建模 面向对象机制是另一种观察应用程序的方式。利用这种方法，把应用 程序分成许多小块( 或对象) 这些对象是相互独立的。然后可以组合这些对 象，建立应用程序。这种机制的一大好处就是可以一次性地建立组件，然 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 后反复地使用。传统开发方法集中考虑系统要维护的信息。换句话说，我 们关注信息，而不是关注信息的作用或系统的功能。这种方法是以数据为 中心的，然而一个主要的问题就是系统要求随着时间不断变化。以数据为 中心的系统可以方便地处理数据库变化但很难实现商业规则和系统功能的 变化，而这种变化有时是非常剧烈的。 面向对象机制的开发正是要解决这个问题。利用面向对象机制，我们 同时关注信息与功能。因此，我们可开发密切关注和适应信息与功能变化 的系统。要实现灵活性带来的好处，只能通过设计好的面向对象系统。这 要求了解面向对象的基本原则：包装、集成和多态。正如建房需要一张蓝 图一样，软件中的模型是系统的蓝图。蓝图可以帮助你规划要做的补充， 模型可以帮你规划要建的系统。这就可以保证系统设计良好，要求得到满 足，系统能在要求改变时站得住脚。收集系统要求时，把用户的业务需求 映射到开发小组能理解的要求。最终你要利用这些要求产生代码。通过将 要求映射为代码，可以保证代码满足这些要求，代码也能方便地回溯要求。 这个过程称为建模。建模过程的结果就是可以跟踪从业务需求、到要求、 到模型、到代码的过程及相反的过程，而不会在这个过程中迷路。 可视化建模将模型中的信息用标准图形元素直观地显示。标准对可视 化建模的通信功能至关重要。可视化建模的主要目的就是用户、开发人员、 测试人员、管理人员和其他涉及项目人员之间的通信。利用非可视信息( 文 本) 也能进行通信，但人类毕竟是百闻不如一见，通过图形比通过文字更容 易理解事情的结构。利用系统的可视化建模，可以在几个层次上显示系统 如 之间的交互。建立模型后 ，可以向所有感兴趣的方面显示这个模型，让他们对模型中的重要信 息一目了然。例如，用户可以通过模型直观地看到用户与系统间的交互， 分析人员可以看到系统对象间的交互，开发人员可以看到要丌 发的对象和每个对象的任务，测试人员可以看到对象问的交互并根据这些 交互准备测 北京交通大学硕士论文基于广义d n c 的制造执行系统( m e s ) 的研究与实现 信息总管可以看到高层模型，看看公司的各个系统如何相互交互。总之 可视化建模提供了向各有关方面显示系统计划的强大工具睁5 。 4 2 2u m l 的发展历程 面向对象的分析设计方法中，建模可视为核心内容，同时它也是分析 和设计过程中的最基本和最关键的活动之一。面向对象的分析和设计从建 模开始，建模语言则一直是面向对象技术的研究重点。公认的面向对象建 模语言出现于7 0 年代中期。从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年，其数量从不到十种增加 到了五十多种。一度爆发了“方法大战”。9 0 年代中期，出现了一批新方 法